Von der Vision zur Anwendung: Wie Forschende am Leibniz-IPHT gemeinsam an einem Durchbruch in der Diagnostik von ­lebens­bedrohlichen Infektionen arbeiten

Ein laserbasierter Schnelltest aus dem Leibniz-IPHT könnte zum Gamechanger im Kampf gegen resistente Keime werden. Die Technologie funktioniert – nun stehen die Forschenden vor der Herausforderung, das Verfahren in die medizinische Praxis zu bringen.

Als das Systemtechnologie-Team von Dr. Walter Hauswald im Dezember 2023 mit dem tragbaren Miniatur-Spektrometer zu Dr. Anja Silge, Dr. Richard Grohs und Dr. Cornelia Reuter ins Mikrobiologie-Labor kam, haben sie es einfach spontan ausprobiert. Sie haben den neu entwickelten Chip unter den Laser in den kleinen grauen Kasten gesteckt, füllten die 40 kleinen Mulden mit Bakterienproben, schlossen die regenbogenfarbenen Kabel an – und tatsächlich: Es funktionierte. „Zur großen Freude aller Beteiligten konnten wir mit dem neuen Chip im neu entwickelten Spektrometer reale Bakterien messen“, berichtet Anja Silge, stellvertretende Leiterin der Forschungsabteilung Spektroskopie und Bildgebung am Leibniz-IPHT. „Das war für uns, als wenn eine neue Rakete tatsächlich auf dem Mond landet.“

Ein Chip, der Leben retten könnte

In dem grauen Kasten und dem Quarzglas-Chip mit den bunten ­Kabeln steckt mehr als zwei Jahrzehnte Forschungsarbeit verschiedener Teams und Gruppen am Leibniz-IPHT und am Universitätsklinikum Jena. Forschende aus Physik und Chemie, Technologie und Datenwissenschaft, aus Intensivmedizin und der klinischen Mikrobiologie haben gemeinsam ein optisches Verfahren vorangetrieben, das sich als bahnbrechend in der Diagnostik von Infektionskrankheiten erweisen könnte: den RamanBioAssay®, einen laserbasierten Schnelltest, der Krankheitserreger mitsamt dem passenden Antibiotikum aus einer einzigen Probe ermittelt – und das in weniger als drei Stunden. Derzeitige mikrobiologische Verfahren benötigen hierfür bis zu drei Tage. Bei schweren Infektionen, die sich zu einer Sepsis auswachsen können, könnte das lebensrettend sein. Bei aggressiven resistenten Erregern sinkt die Überlebenschance der Patientinnen und Patienten mit jeder Stunde um mehrere Prozent. Anstatt auf Verdacht ein Breitband-Antibiotikum zu verschreiben, könnten Medizinerinnen und Mediziner Antibiotika zielgenau einsetzen – und damit einen entscheidenden Beitrag leisten gegen die zunehmende Zahl resistenter Keime.

Von der Idee zum Instrument

Der graue Kasten ist ein miniaturisiertes Raman-Spektrometer für die Point-of-Care-Diagnostik, voll funktionsfähig mit Lichtquelle und Detektor – ein handliches mobiles Gerät, das in Zukunft dort eingesetzt werden kann, wo kein Speziallabor in der Nähe ist, etwa in der Arztpraxis in strukturschwachen Regionen auf dem Land. Anstelle von Linsen und Spiegeln leitet ein fingernagelgroßes, intelligent strukturiertes optisches Gitter das Licht. Entwickelt und gefertigt hat es das Mikro- und Nanotechnologieteam im Reinraum des Leibniz-IPHT.

Teamwork als Schlüssel zum Erfolg

Die zweite Generation des mobilen Spektrometers – der Nachfolger des Raman2Go – und die neueste Version des RamanBioAssay®-Chips haben interdisziplinäre Forschungsteams am neu entstehenden Leibniz-Zentrum für Photonik in der Infektionsforschung (LPI) entwickelt. Auf dem neuesten Chip, der in etwa so lang ist wie ein Kaugummistreifen, können mehrere Antibiotika in zahlreichen Konzentrationen gleichzeitig getestet werden – in unterschiedlichen Konzentrationen, damit Medizinerinnen und Mediziner gleich ablesen können, wie hoch das passende Medikament dosiert werden muss. Das ermöglicht eine dreimal so schnelle Messung mehrerer Proben hintereinander. Die Bakterien aus einer Patientenprobe – Blut oder Urin – liegen abgeschlossen hinter lasertransparentem Quarzglas, steril und hygienisch gedeckelt.

Als Prof. Dr. Jürgen Popp 2002 zunächst an die Friedrich-Schiller-Universität Jena und 2006 als wissenschaftlicher Direktor ans Leibniz-IPHT kam, brachte er die Idee mit, Bakterien mit Raman-Spektroskopie zu untersuchen, um ihren molekularen Fingerabdruck sichtbar zu machen. Es gelang: Mithilfe der Lasertechnologie können Forschende Unterschiede zwischen verschiedenen Bakterien erkennen. Seit dem ersten BMBF-geförderten Forschungsprojekt dazu arbeiten Forschungsteams an der Umsetzung eines transportablen Geräts für die schnelle Erkennung von Infektionserregern mit Raman-Spektroskopie. Seit 2010 untersuchen sie, wie die Bakterien auf Antibiotika reagieren; vier Jahre später folgten hochrangige Publikationen, dann die ersten Patente und eine Ausgründung. Das Verfahren wurde vielfach ausgezeichnet, unter anderem mit dem Thüringer Forschungs- und dem Berthold Leibinger-Innovationspreis. Prof. Dr. Ute Neugebauer, die bei Jürgen Popp zu dem Thema promovierte, ist inzwischen stellvertretende wissenschaftliche Direktorin des Leibniz-IPHT und leitet eine eigene Forschungsabteilung für Klinisch-Spektroskopische Diagnostik. Die Nachwuchsforscherin Dr. Johanna Kirchhoff erhielt 2020 für ihre Arbeit an dem Verfahren den Deutschen Studienpreis für eine der wichtigsten Dissertationen Deutschlands.

Beschleunigung durch Künstliche Intelligenz

Das mobile Spektrometer wurde immer kompakter, das Team immer größer. „Wir haben unser Labor verlassen und entwickeln die Methode und die Geräte gemeinsam mit unseren Partnern in der klinischen Mikrobiologie weiter“, berichtet Jürgen Popp. Für die Geräteentwicklung hat das Leibniz-IPHT eine eigene Gruppe aufgebaut. Seit 15 Jahren legt das Institut zunehmend den Fokus auf die Auswertung der spektroskopischen Daten – sie ist der Schlüssel zur Schnelligkeit und Genauigkeit der Methode. Seit 2019 kümmert sich unter der Leitung von Prof. Dr. Thomas Bocklitz eine ganze Forschungsabteilung für Photonic Data Science um die Weiterentwicklung der KI-basierten Verfahren. Insgesamt, schätzt Popp, arbeiten mehr als 40 Personen an der Erforschung und Weiterentwicklung der Methode.

Die Herausforderung: ­regulatorische Hürden

Das Projekt steht nun vor seiner größten Herausforderung: der Überführung in die klinische Praxis. Der Proof of Concept ist erbracht. „Wir haben umfangreich bewiesen, dass die Technologie funktioniert“, so Popp. Nun geht es um die Vermarktung – um technische und regulatorische Fragen. Für die klinische Validierung laufen Machbarkeitsstudien mit dem Universitätsklinikum Jena. Mit der University at Albany – State University of New York bahnt das Leibniz-IPHT eine Kooperation an, um die Technologie für den amerikanischen Markt weiterzuentwickeln.

Parallel dazu arbeiten die Teams am Leibniz-IPHT an der Automatisierung des Verfahrens, um die Bedienung für Ärztinnen und Ärzte zu vereinfachen. Außerdem müssen die Geräte kostengünstig sein, um mit bestehenden Diagnosemethoden zu konkurrieren. „Ein Test darf nicht mehr als drei oder vier Euro kosten“, erklärt Jürgen Popp.

Die gestiegenen Anforderungen für die Zulassung medizinischer Geräte durch die EU Medical Device Regulation und die zugehörige Dokumentation stellen eine Herausforderung dar, insbesondere, weil das handliche Miniatur-Raman-Gerät zur schnellen Auswertung der Erreger mit selbstlernenden KI-Algorithmen arbeitet.

Perspektive für die Zukunft: das LPI

Um das Potential der lichtbasierten Technologie für die Diagnostik zu heben, entsteht in Jena das Leibniz-Zentrum für Infektionsforschung (LPI) (siehe Seite 41). Die Weiterentwicklung des RamanBioAssay® mit einem kompakten Raman-Spektrometer für den Einsatz direkt am Ort der medizinischen Versorgung (Point of Care) wird als Basistechnologie für das LPI gefördert. Die weltweit einzigartige Translationsinfrastruktur soll Forschende mit einem erprobten Konzept auf dem Weg zum Markt mit Expertinnen und Experten aus der Industrie zusammenbringen. „Es soll eine One-Stop-Agency für die lichtbasierte Infektionsforschung werden“, erläutert Popp. „Damit gute Ideen aus dem Labor schneller bei den Menschen ankommen.“